1937年，软禁西安事变发动者张学良、杨虎城。7月指挥抓获日本间谍黄浚，并将其枪决。淞沪会战期间组建忠义救国军与日寇血战，所部两千人壮烈牺牲。
1938年，1月设计诱杀山东省主席韩复榘， 2月派陈恭澍刺杀伪华北政府行政委员会委员长王克敏， 4月戴笠指示各沦陷区特工组织加强对汉奸的暗杀行动，称:“国难严重若此，汉奸又如此横行，非流血无以表现大中华民族杀敌锄奸之精神”。7月7日为纪念卢沟桥事变一周年，戴笠下令在上海发动了声势较大的袭击行动，共组织15个小队兵分四路分别袭击日资纱厂多家、日海军兵营、日军哨所、正金银行等日本企事业单位和军事目标，另带领沪西工人散发传单，共打死日本宪兵30人，散发抗日传单100万张。8月特务处扩大为国民政府军事委员会调查统计局，任副局长。期间策反伪华北皇协军副军长徐靖远反正，趁日军前来检阅之机，打死日军32人。8月13日，为纪念淞沪会战爆发一周年，军统再次组织特别行动，分三路组行动分别袭击日军司令部、分队部、哨兵队以及日资仓库、工厂、洋行等，共打死日军32人，纵火多处，散发抗日传单10万份，悬挂中华民国国旗多面。9月30日派赵理君暗杀前中华民国国务唐绍仪。 10月戴笠向蒋介石汇报了日德两轴心国将再度结盟的政治形势。11月邀请美国密码破译专家雅德利组建中国黑室，破译日军密电。电令军统苏州站特工人员制造天马号爆炸案，共计炸死炸伤日寇175人。 自1938年起，日军对中国战时首都重庆进行了大规模无差别的狂轰滥炸，企图摧毁这个抗战大后方。为了提前预警，保护无辜平民，戴笠派出大批军统特工潜伏在日军各机场附近隐蔽，日夜监视侦察日军动向，一旦日机起飞，立即用无线电进行通报，汇报侦测到的日军机型、架次、航向。后来逐渐被日军察觉，很多军统特工因此牺牲。
1939年，2月派刘戈青刺杀伪中华民国维新政府外交部长陈箓， 3月派遣陈恭澍等人潜入越南河内狙杀汪精卫，世称河内刺汪。4月军统领导的外围组织抗日杀奸团炸毁伪天津市府军用库、万国桥旁三井洋行、特一区棉花堆栈等待运日本的物资，并将伪天津市商会会长王竹林、伪华北准备银行总经理程锡庚暗杀， 军统天津站站长兼抗日杀奸团领导人曾澈、军统北平站副站长周世光后在日军大搜捕下被捕牺牲。 5月派戴星炳、吴赓恕赴上海追杀汪精卫。6月制造毒杀日伪敌酋的金陵毒酒案。7月派平福昌、谭宝义赴上海刺杀汪精卫， 8月军统广州站发展了在驻广州白云山日军海军陆战队第115联队近田部队作厨师的李昌德，将准备好的毒药掺入饭菜，使日寇官兵数十人中毒，19人毙命，李昌德还趁乱将硝酸倒入机枪枪管，随后逃出敌营。9月派詹森刺杀汉奸季云卿，派周田水、郑穆生暗杀日本厦门陆军特务机关情报部长田村丰崇。10月派陈三才赴上海刺杀汪精卫。 12月派黄逸光、邵明贤、尚振声赴南京刺杀汪精卫。
1940年，1月派曾政忠假扮宋子良，假意与日本和谈，实则是为摸清日本的战略计划。策反汪伪“和平运动”发起人高宗武、陶希圣携带《日汪密约》等机密文件秘密离沪赴港，并在香港公布《日汪密约》内容，揭露了汪精卫以“曲线救国”为名从事卖国活动的种种丑恶罪行，此举政治影响极大，在全国范围掀起声讨大汉奸汪精卫的热潮，沉重打击了日汪勾结的阴谋。 8月派林怀部刺杀青帮头目张啸林，10月派朱升源刀劈伪上海市长傅筱庵，11月派军统特工麻克敌将日本天皇特使高月保男爵刺杀于北平。12月16日，电令军统武汉区特工人员对驻蔡甸日军警备队发动袭击，将3名强行检查的日寇哨兵打死，随即向日寇警备队投掷手榴弹，炸死日寇官兵8人，随后又趁夜潜入武昌八铺街日本宪兵队驻地，待日寇熄灯休息后，向寝室投掷手榴弹，日寇仓皇逃出时，遭到隐蔽于暗处的军统特工持枪扫射，打死日寇8人。12月22日将走私贪污的财政部中央信托局经理林世良活埋，12月23日将屯粮的成都市长杨全宇处决。
1941年，戴笠为加强南亚抗日活动，两次亲赴缅甸建立情报网，在东南亚做到了“只要有华人血统的地方，就有戴笠的情报特工”。同时派遣军统少将岑家焯率特工前往新加坡开展抗日活动。除夕之夜，忠义救国军淞沪区游击纵队指挥官阮清源率部在上海发动定时大爆炸，袭击日军驻沪西炮兵大队，在日军据点四处纵火，重创日军气焰，震动大上海。 2月电令军统上海区特工人员袭击汪伪中储银行上海分行，将汪伪中储银行上海分行科长偻侗等五名汉奸刺杀。军统武汉区特工人员在汉口得胜街杀死三名在妓院寻欢作乐的日寇军官、突袭汉口三星街日寇宪兵队，刺杀日寇7人。3月，军统武汉区特工人员混入汉口中山路新市场，向正在行进的日军部队投掷炸弹，炸死日军17人。忠义救国军南京行动总队特工趁日伪当局要员出席活动之际，在南京大戏院、丽都花园投掷炸弹，炸死汉奸多人，4月军统领导的外围组织抗日杀奸团在上海虹口区乍浦路、海宁路两家电影院安放定时炸弹，炸死炸伤日寇22人。军统汉口站特工在汉口机场烧毁日军油库一座，炸毁日军飞机两架。军统南京区特工强一虎袭击南京新亚舞厅，炸死汉奸一人。5月，派韩国籍军统特工崔博学、黄永哲暗杀汪伪76号特务头子李士群未成，崔博学、黄永哲壮烈牺牲。6月，派蒋安华刺杀日军驻上海工部局警务处处长赤木亲之。 7月，韩国籍军统特工尹光国毒死日军清水少将。8月，尹光复刺伤日本上海海军陆战队司令武田少将。9月17日，电令军统广州站特工人员对日寇军事机关进行爆破，撤离至海珠中路时，军统广州站第三组组长江志强路遇日本宪兵队，当日寇走近身边时，江志强将炸弹引爆，与5名日寇同归于尽。10月，戴笠与从苏联回国的林彪在西安七贤庄进行秘密会谈，密谈内容至今成谜。10月26日派汪鲲暗杀日军华南情报部部长泽重信。12月初，戴笠领导的军统提前破译了日军偷袭珍珠港的阴谋，并提前通知美国，但美国政府认为是中国挑拨日美关系，未引起重视，珍珠港事件发生后美方震惊，美国总统富兰克林·罗斯福向蒋介石提出要亲自会见戴笠。
1942年，与美国合组中美特种技术合作所。由戴笠担任中美特种技术合作所主任，由美国的梅乐斯出任副主任。仅在1944年6月至1945年6月一年时间内，中美特种技术合作所领导的部队就歼灭日军两万三千多人、击伤日军9000多人，俘虏日军300多人，摧毁日军84辆机车、141只船舰、97处日军军需库。1944年9月至1945年8月，中美特种技术合作所共计破译日军密码11万份，美国海军根据中美特种技术合作所提供的破译情报，击沉日军舰船25艘，特别在莱特湾战役、帛硫群岛登陆战役中贡献良多。中印缅战区成立后，中国远征军入缅作战，戴笠随即派出特工随同中国远征军参战，其中有一批女特工在中国远征军中担任译电员。因为美军、英军配合不力，中国远征军经过苦战，孙立人部新38师退往印度，在孙立人部的七名军统女特工被日军追到一个山崖边，看到突围无望，七名军统女特工砸毁电台，宁死不屈，跳下山崖，没有一人被日军俘虏。
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